Vliv způsobu kování čepu řízení automobilu na technologii zpracování

Čep řízení je jednou z hlavních částí na řidící nápravě vozu, která dokáže zajistit stabilitu vozu a citlivě přenášet směr jízdy. Jednou funkcí je efektivně přenášet hodnotu úhlu natočení volantu na přední kolo vozu, včas řídit trasu vozu v pohybu, a tím zajistit bezpečnost vozu; další funkcí je nést zatížení přední části vozu, podpírat a pohánět přední kolo tak, aby se otáčelo kolem otočného čepu, a nést proměnná nárazová zatížení při jízdě vozu. Proto čep řízení vyžaduje nejen spolehlivou pevnost, ale také musí zajistit vysokou přesnost zpracování. Jeho geometrický tvar je poměrně složitý a existuje mnoho geometrických tvarů, které je třeba zpracovat. Přesnost polohy mezi každou geometrickou plochou musí být vysoká. Úroveň jeho přesnosti zpracování ovlivní přesnost řízení vozu v provozu. Tento článek analyzuje výkovky vyrobené dvěma různými procesy kování, zkoumá vliv tvaru upichování, rozdělení přídavků a chyby kování výkovku čepu řízení na technologii jeho zpracování a předkládá reference pro návrh přípravku a výběr polohovacích ploch v procesu zpracování.

Konstrukční charakteristiky čepu kola

Tvar čepu řízení je poměrně složitý a soustřeďuje strukturální charakteristiky čtyř typů dílů, jako je hřídel, otvor, kotoučový kroužek a rám vidlice. Skládá se hlavně ze tří částí: nosný hřídel, příruba a rám vidlice. Konstrukční tvar nosného hřídele je stupňovitý hřídel a jeho konstrukčními znaky jsou rotační těleso složené ze souosé vnější válcové plochy, kuželové plochy, závitové plochy a osazení hřídele, přechodového zaoblení a koncové plochy kolmé k ose; přírubová část obsahuje povrch příruby, průchozí otvor pro spojovací šroub a otvor se závitem pro omezení řízení; rám vidlice je konstrukce rámu vidlice složená z horních a spodních uší a povrchu příruby kloubu řízení.
Z hlediska technologie kování jsou vlastnosti výkovku čepu řízení: nosná hřídel je štíhlá, příruba je velká a někdy má povrch speciálního tvaru, rám vidlice je vychýlen o úhel α od střednice nosné hřídele a má složitý tvar. Podle "GB12362-2003 Tolerance a povolenky na obrábění pro ocelové zápustkové výkovky" je výkovek typickou složitou vidlicovitou součástí.

Proces zpracování kloubu řízení

Hlavním procesem zpracování čepu řízení je: frézování čelní plochy čepu, vrtání středových otvorů na obou koncích → hrubé soustružení čelní plochy příruby a čepu nosného hřídele → polodokončování a dokončování opěrného čepu, zaoblení, dokončování příruby, soustružení zadního závitu → vrtání a závitování povrchového závitu příruby → hrubé a jemné frézování vnitřního a vnějšího koncového čela ucha nahrubo a nahrubo frézování vnitřního a vnějšího čelního čela nahrubo otvor pro čep → povrchové kalení (podle potřeby) → dokončovací broušení velkých a malých ložiskových čepů a zaoblení → gravírování značek → kontrola a skladování.

Vliv metod kování na technologii zpracování

1. Metody kování

Pro výrobu výkovků s čepem řízení existují dva procesy tváření kování: horizontální dělení (rovinné dělení) a vertikální dělení (vertikální dělení). Horizontální upichování je metoda kování se středovou rovinou výkovku jako dělicí plochou. Protože průřez části nosného hřídele je zcela odlišný od průřezu části přírubového a vidlicového rámu, je proces kování velmi komplikovaný, aby bylo možné rozumně rozdělit polotovar. I tak bude na spoji mezi nosným hřídelem a přírubou stále velký záblesk, který se bude postupně v axiálním směru zmenšovat, až dosáhne normální šířky u ocasu. Míra využití materiálu u tohoto způsobu kování je nízká. Vertikální dělicí metoda je založena na středové rovině příruby a bere v úvahu dutiny vidlic na obou stranách. Tato metoda kování může používat technologii uzavřeného kování během předkování, nucené vytlačování hřídele a zpětné vytlačování vidlic na obou stranách a poté finální kování pro tvarování a vypouštění přebytečného kovu.
Vzhledem k různým metodám výroby kování bude mít uspořádání dělicí plochy, přidělení přídavků na obrábění a tolerance kovací chyby a tloušťky během návrhu kování různé účinky na zpracování čepu řízení. Zejména při procesu vrtání středového otvoru na čelní straně frézovacího čepu, soustružení a broušení opěrného čepu (viz zpracování dílů A a B na obrázku 1) a čelní plochy příruby, opracování závitových otvorů na přírubě, které spojují rameno kloubu řízení a brzdy a zpracování čelní plochy vidlice a otvoru pro čep rámu vidlice C a D1 je patrné zejména na obrázku opracování dílů rázu. Při navrhování technologie zpracování a výběru polohovací plochy přípravku je proto nutné přijmout odpovídající protiopatření podle různých výrobních metod výkovků.
Schematický diagram dílů pro zpracování čepu řízení
Obrázek 1 Schematický diagram částí pro zpracování kloubu řízení

2. Uspořádání tolerance kování a přídavku na obrábění
Když se horizontální dělicí zápustka používá pro kování čepu řízení, dělicí plocha se obvykle volí v největší části. Jak je znázorněno na obrázku 2, AA je dělicí plocha výkovku a směr kování je kolmý k rovině, kde se nachází dělicí plocha, to znamená ve směru znázorněném BB. Tímto způsobem je výkovek kován horními a spodními zápustkami. Přídavek na obrábění dílů pro zpracování kování je rovnoměrně rozložen na nosném hřídeli, čelní ploše příruby a horní a spodní čelní ploše vidlice. Úhel úkosu výkovku je ve směru kování, tj. ve směru BB, který je obecně 5°~7°; během procesu kování v důsledku kolísání faktorů, jako je teplota kování a kovací síla, nelze horní a spodní zápustku zcela přitlačit k sobě, takže kolísání rozměru tloušťky ve směru kování se vytvoří na výkovku, obvykle s tolerancí ±1 mm; a chyba způsobená nesouosostí horních a spodních matric je obecně ±1,5 mm.
Dělicí plocha svislého dělicího výkovku je zvolena tak, aby byla kolmá k ose podpěry a procházela středem příruby, ale tvar výkovku určuje, že jeho dělicí plocha je zakřivená. Jak je patrné z obrázku 2, zakřivený povrch znázorněný na CC je jeho dělicí povrch a směr kování je kolmý k dělicímu povrchu, to znamená ve směru znázorněném v DD. Takto vyrobené výkovky se liší od výkovků vyrobených horizontálním kováním z hlediska rozdělení přídavků na obrábění. Kvůli potřebě tažení horního zápustkového výkovku nevzniká zpětný tah, takže je třeba přidat přídavek na vnitřní stranu horní a spodní vidlice, aby se vytvořil pozitivní tah. Hlavní části jsou znázorněny na obrázku 2 jako E a F. Kromě běžného přidání přídavku pro nosný hřídel, aby se usnadnilo vyjmutí nosného hřídele z formy, se v axiálním směru přidá další úhel úkosu 1° až 1,5°. Za předpokladu, že nosný hřídel je dlouhý 200 mm, v důsledku přidání úhlu úkosu se dodatečné přidání přídavku od konce malého hřídele k vnějšímu hrdlu nosného hřídele u kořene příruby zvýší z 0 na 0,35~0,5 mm a přídavný přídavek d=200tan (1°~1,5°). Tolerance tloušťky výkovku je obvykle ±1,5 mm, což je generováno podél směru DD, a chyba je obecně ±1,5 mm, což je generováno kolmo ke směru DD.
Schematické schéma horizontálních a vertikálních dělených zápustkových výkovků Obrázek 2 Schematické schéma horizontálních a vertikálních dělených zápustkových výkovků

3. Zpracování ovlivňujících faktorů
Různé vlivy faktorů, jako je přídavek a tolerance ve výše uvedených dvou způsobech výroby výkovků, je třeba vzít v úvahu při návrhu technologie zpracování, jinak to ovlivní kvalitu zpracování čepu kola. Vlivy zpracování, na které je třeba se zaměřit, jsou:

(1) Zpracování nosného hřídele kloubu řízení Hlavními postupy zpracování nosného hřídele kloubu řízení jsou frézování čelní plochy hřídele, vrtání středového otvoru a soustružení a broušení čepů různých dílů (viz části A a B na obrázku 1). Tyto dva procesy spolu souvisí, zejména proces vrtání středového otvoru. Středový otvor není pouze referenční polohou pro následné zpracování nosného čepu, ale také referenční hodnotou pro měření různých rozměrových a polohových tolerancí na nosném hřídeli. Pokud se spojovací linie dvou středových otvorů při zpracování nemůže shodovat s osou výkovku nosného hřídele, způsobí nerovnoměrné rozložení okraje výkovku a vznik okují oxidu obráběcího čepu (tj. zbytkový povrch výkovku). Porovnáním čepových částí výkovků vyrobených těmito dvěma metodami lze vidět, že u čepu řízení vyrobeného vertikálním děleným zápustkovým kováním, protože konečný výkovek části nosného hřídele je vytvořen ve válcové dutině, je kruhovitost této části dobrá a okraj je rovnoměrný, takže je snazší zvolit polohu polohování při zpracování středového otvoru. Avšak vlivem faktorů, jako je nesouosost, tolerance tloušťky a zbytky ořezávání, bude horizontální výkovek tvořit nepravidelný kruh. Rozdělení povolenky na různých místech časopisu bude výrazně kolísat pod vlivem více faktorů. Na základě tohoto tvarového kolísání kovacího čepu je třeba při výběru umístění středového otvoru pro obrábění zvážit jeho provedení s upínačem ve tvaru V pod úhlem 45° k dělicí ploše. To může zabránit vlivu zbytků otřesů a nesouososti a přimět spojovací čáru středového otvoru přiblížit se teoretické středové ose kovacího čepu, takže následný přídavek na obrábění je rovnoměrně rozdělen.

(2) Axiální rozměry nosného hřídele Řetězec axiálních rozměrů čepu řízení znázorněný na obrázku 1 je ve vzájemném vztahu. Zvláště důležitý je rozměr tloušťky stěny otvoru pro čep pro čep řízení 11 mm. Souvisí s pevností tloušťky stěny otvoru pro pancíř, takže musí být zaručena. Z analýzy vztahu mezi řetězcem axiálních rozměrů by se mělo uvažovat kolísání tloušťky stěny z různých metod kování, když je středový otvor vyvrtán v prvním kroku zpracování frézováním čelní plochy. Pokud se jedná o vodorovný výkovek, generuje se osový rozměr výkovku v horní a spodní zápustce a jeho kolísání je ovlivněno především chybou výkovku. Pokud se jedná o výkovek vyráběný vertikálním kováním, generuje se osový rozměr výkovku v horní a spodní zápustce a kolísání jeho osového rozměru je ovlivněno především tolerancí tloušťky výkovku. Proto se v tomto stavu doporučuje při volbě počátečního rozměru axiálního polohování vybrat horní matrici vyrobenou ve stejné matrici, jako je tloušťka stěny otvoru pro královský čep, to znamená zvolit povrch příruby v blízkosti vidlice.

(3) Zpracování příruby Přírubová část svislého výkovku je vytvořena v kompletní dutině, takže její kolísání tvarové chyby je malé. Při zpracování spojovacích otvorů kolem příruby bude tloušťka stěny kolem spojovacího otvoru velmi rovnoměrná, pokud je umístění středového otvoru nosného hřídele přesné. U výkovků vyráběných horizontálním kováním je přírubová část vytvořena v horní a spodní zápustce. Kvůli vlivu chyby kování a tolerance tloušťky a na základě výše analyzovaného problému středění středového otvoru existuje při zpracování spojovacích otvorů kolem příruby riziko nerovnoměrné tloušťky stěny kolem otvoru nebo dokonce příliš malé. Je třeba věnovat pozornost. Je-li to nutné, může být požadováno přidání vhodného přídavku kolem jednotlivých otvorů, aby se tomuto riziku zabránilo. Kromě toho je tloušťka přírub výkovků vyrobených vertikálním kováním ovlivněna tolerancí tloušťky výkovku. Přídavek na obrábění čelní strany příruby výkovků z různých sérií bude kolísat. Tomu je třeba věnovat pozornost i při obrábění.

(4) Zpracování vidlice čepu řízení Vzhledem k tomu, že při použití svislého výkovku pro výrobu čepu řízení existuje úhel α mezi částí nosného hřídele čepu řízení a jeho částí vidlice, aby se zabránilo zpětnému tahu a umožnilo se vyjmutí horní části výkovku z dutiny, je nutné zvýšit přídavek. V polohách E a F znázorněných na obrázku 2, zejména v poloze F, je přídavek velký. Za předpokladu α=7°, hloubka vidlice je 70 mm a normální úhel úkosu je 3°, zvýšení přídavku na patu vidlice je: δ=70tan7°+70tan3°=12,2 mm. Tímto způsobem je třeba při opracování vidlice, zejména hrubého opracování, uvažovat o velkém přídavném řezání tohoto dílu; zatímco přídavek horizontálních výkovků v těchto částech může být uspořádán podle konvenčního způsobu, takže množství řezu je malé, ale protože je uprostřed dvou vidlic přídavek na tah, aby byla zajištěna přesnost středového otvoru, je tento díl obecně frézován čelním frézováním. Navíc při zpracování vidlice se čep obvykle používá k polohování. U svislých výkovků se vlivem chyby změní přídavek na obrábění vidlice a v těžkých případech bude přídavek na obrábění nedostatečný a dojde k tvorbě okují.

Závěr
Jak horizontální, tak vertikální výkovky jsou v současné době široce používány při výrobě automobilových výkovků pro čepy čepu řízení. U čepů řízení vyrobených různými způsoby, kvůli rozdílům v metodách tváření, rozdělení přídavků na obrábění a dělicí struktuře kování, by měla být provedena cílená analýza během mechanického zpracování a měla by být přijata opatření podle různých situací, aby bylo možné použít různé metody polohování a řezání v procesu zpracování středového otvoru nosného hřídele, zpracování příruby a zpracování vidlice, aby se získala dobrá technologie zpracování.